張彬，趙孟偉，韓建設(shè)

（1.河南省水利水電工程質(zhì)量安全中心，河南 鄭州 450003；2.河南省豫東水利保障中心，河南 開封 475002；3.開封市引黃灌區(qū)事務(wù)中心，河南 開封 475002）

0 引言

頂管技術(shù)作為一種新型的隧道工程暗挖技術(shù)，其因施工擾動(dòng)小、適應(yīng)性范圍廣、安全性高、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在大型水利工程、跨河工程、交通繁忙路段、城市建筑密集區(qū)、超淺埋及超大斷面的隧道工程中得到大量的應(yīng)用。

引江濟(jì)淮工程（河南段）是河南省實(shí)施的10項(xiàng)重大水利工程之一，以城鄉(xiāng)供水為主，具有改善當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)環(huán)境的作用，能夠改變地下水超采的現(xiàn)狀。河南段輸水線路總長度為195.14 km，途經(jīng)穿越河道、公路、鐵路約150余處，穿越工程是整個(gè)工程能否順利完工的“卡脖子”工程。

1 工程概況

1.1 穿渦河頂管工程概況

穿渦河頂管工程位于周口市鹿邑縣穆店鄉(xiāng)位橋東北，是后陳樓調(diào)蓄水庫～七里橋調(diào)蓄水庫管線穿越渦河的輸水建筑物。工程全長314.37 m，雙管平行布置，單管設(shè)計(jì)流量11.45 m3/s。頂管采用內(nèi)徑DN3000的JPPCP管，管材內(nèi)徑3 m，壁厚0.50 m，單節(jié)管節(jié)長度2.50 m，掘進(jìn)機(jī)采用泥水平衡頂管機(jī)，頂管兩端分別設(shè)工作井和接收井一座，內(nèi)徑同為10.00 m×14.50 m，南岸工作井井深26.09 m，北岸接收井井深26.70 m，采用沉井法施工。根據(jù)計(jì)算，需要設(shè)置2個(gè)中繼間。穿渦河頂管工程項(xiàng)目兩端各設(shè)置閥井1座，工作井及接收井上部各設(shè)鎮(zhèn)墩1座。

為減少施工期間滲水和流沙現(xiàn)象，在沉井輪廓線周圍1.50 m 及頂管始末端設(shè)置一道高噴防滲墻。防滲墻軸線為矩形，成墻厚度不小于0.40 m，滲透系數(shù)不大于1.0×10-4cm/s，防滲墻底高程需要深入不透水層。

1.2 地層巖性

穿渦河頂管所在高度大部分為重粉質(zhì)壤土，上部及下部局部穿越粉砂層。

巖性主要分為細(xì)砂、粉砂、重粉質(zhì)壤土、砂壤土等幾種。①粉砂：淺黃、褐黃色，松散～稍密，干～稍濕，見少量銹黃色浸染。局部為砂壤土。該層層厚一般1.90～4.30 m，在渦河南岸出露于地表。②粉細(xì)砂：淺黃、黃褐色，飽和，中密為主，上部稍密狀，以細(xì)粒為主，少量粉粒，成分主要為長石、石英，局部含鈣質(zhì)結(jié)核，多呈薄餅狀。渦河南岸層內(nèi)夾重粉質(zhì)壤土薄層。該層厚15.30～17.90 m。③細(xì)砂：灰黃色，飽和，中密～密實(shí)狀，以細(xì)粒為主，成分主要為石英、長石，少量云母。該層厚9.50～12.20 m。④重粉質(zhì)壤土：褐黃雜青灰色，可塑～硬塑狀，見少量銹黃色浸染，土質(zhì)不均，干強(qiáng)度高，層內(nèi)夾有厚1.10～2.60 m的砂壤土透鏡體。

1.3 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)地下水埋深4.40～6.90 m，水位高程35.09～36.50 m，略高于河水。

地下水和河水形成了互為補(bǔ)排的關(guān)系，地下水水位高時(shí)，地下水補(bǔ)給河水，反之亦然。在勘察區(qū)內(nèi)取地下水、河水水樣各1組進(jìn)行水質(zhì)分析，水質(zhì)分析成果表明：河水礦化度0.73 g/L，屬淡水；總硬度14.29H°，屬微硬水；pH值9.03，屬堿性水；侵蝕性CO2 為0 mg/L。地下水礦化度0.64 g/L，屬淡水；總硬度19.01H°，屬硬水。

2 頂管系統(tǒng)的選擇

2.1 頂管掘進(jìn)機(jī)

頂管掘進(jìn)機(jī)采用NPD3600 和3600 泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)，具有方便維修和操作、高精度，安全性高、速度快等特點(diǎn)。改進(jìn)、設(shè)計(jì)、使用雙道主軸密封形式解密封難的問題。由于掘進(jìn)機(jī)的靈敏度不僅是設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，更是頂管的糾偏影響參考的關(guān)鍵，所以依據(jù)頂管穿越相應(yīng)土層的N值來確定靈敏度數(shù)值。

2.2 主頂進(jìn)系統(tǒng)

穿越渦河主頂進(jìn)系統(tǒng)主要依靠8 只雙沖程等推力油缸進(jìn)行推進(jìn)作業(yè)，總推力16 000 kN，行程3 000 mm，油缸中心位置要與設(shè)計(jì)圖布設(shè)一致，誤差要求不大于且不等于10 mm，力求頂進(jìn)受力點(diǎn)和后座受力維持在一個(gè)較為良好狀態(tài)。

2.3 注漿設(shè)備系統(tǒng)

良好觸變泥漿套的形成和維護(hù)大大減少頂進(jìn)過程的摩擦力，這對(duì)長距離頂管成敗起著重要作用。由此工程使用膨潤土作為觸變泥漿，膨潤土泥漿應(yīng)充分?jǐn)嚢韬桶l(fā)酵后方可使用，攪拌和在儲(chǔ)漿箱內(nèi)的發(fā)酵時(shí)間應(yīng)分別大于30 min 和6 h，發(fā)酵完成后經(jīng)過液壓注漿泵進(jìn)入管內(nèi)。注漿泵站系統(tǒng)由單缸液壓注漿泵（型號(hào)為SYB50／50-Ⅱ型）及液壓動(dòng)力站組成，注漿壓力值0.08～0.10 MPa，注漿量每分鐘80 L。

2.4 泥水管路系統(tǒng)

該系統(tǒng)設(shè)備選用2臺(tái)渣漿泵（渣漿泵選用型號(hào)為4/3C－AH，電機(jī)額定功率30 kW，流量數(shù)值160 m3/h，揚(yáng)程值41.80 m）。泥水系統(tǒng)利用Telemole 管路系統(tǒng)，在泥漿攪拌倉內(nèi)，將大塊土體逐步變?yōu)樾K狀；同時(shí)利用雙道攪拌輪的攪拌以及泥水的大流量沖刷作用，將土體逐步稀釋為泥漿。

2.5 泥漿置換系統(tǒng)

使用水泥加粉煤灰漿（配比為水泥∶粉煤灰∶水=1∶3∶6）把之前注入的膨潤土漿置換掉。注漿次數(shù)不少于3次，每次間隔時(shí)間不大于24 h。泥漿置換完成后，應(yīng)及時(shí)拆除和清洗管內(nèi)弧形漿管和主通道漿管。

2.6 安全供電系統(tǒng)

用電功率330 kW，現(xiàn)場(chǎng)供電設(shè)置變壓器總功率為400 kW，分3路分送至各用電部門。第1路為地面泥漿拌制系統(tǒng)、操作間、工具間、維修加工系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)照明。第2 路為井內(nèi)后座頂進(jìn)油缸系統(tǒng)和接管焊接用電。第3 路供管內(nèi)設(shè)備用電主要為頂管掘進(jìn)機(jī)，出泥機(jī)、中繼環(huán)及管內(nèi)照明采用36 V低壓防爆行燈。選用在施工現(xiàn)場(chǎng)配備一臺(tái)500 kW柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源，確保在管道內(nèi)斷電等應(yīng)急情況下，安全照明、管道通風(fēng)、頂管施工等操作的正常進(jìn)行。

3 施工工藝流程

3.1 沉井制作流程

穿渦河沉井：頂管工程兩端設(shè)長方形工作井和接收井各一座，均為沉井施工，沉井結(jié)構(gòu)尺寸。沉井澆筑時(shí)需注意在井壁處為頂管預(yù)留洞口位置，預(yù)留孔直徑大于管道外徑10～20 cm。

工作井：總高度26.09 m，上部9.29 m 井壁厚度1.20 m，下部（含刃腳）16.80 m井壁厚度1.40 m，底板厚1.30 m，井壁及底板采用C30鋼筋混凝土，接收井總高度26.70 m，上部9.90 m井壁厚度1.20 m，下部（含刃腳）16.80 m井壁厚度1.40 m，底板厚1.30 m，井壁及底板采用C30鋼筋混凝土。

工藝流程：場(chǎng)地平整→施工放線→上部基坑開挖→鋪設(shè)砂墊層→澆筑素混凝土墊層→定井邊線→刃角砌筑→第一節(jié)井壁制作→沉井第一次下沉→第二節(jié)井壁制作→沉井二次下沉→……第N 節(jié)井壁制作→沉井N 次下沉→清除井底虛土→拋石→封底→底板。穿渦河頂管工程沉井計(jì)劃分4段施工，第一節(jié)7.32 m，第二節(jié)7.32 m，第三節(jié)7.32 m，第四節(jié)4.74 m。

為了滿足沉井穩(wěn)定性及施工澆筑要求，通過回填土或灌砂等有關(guān)措施確保刃腳下土體密實(shí)。工程井內(nèi)取土選取高壓水泵與人工相結(jié)合的方式進(jìn)行。在沉井下沉前，需要在沉井頂部設(shè)置沉降及位移等觀測(cè)點(diǎn)位，通過及時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)糾偏保證沉井能夠均衡下沉。沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，并通過觀測(cè)數(shù)據(jù)反饋其接近穩(wěn)定工況時(shí)，再進(jìn)行混凝土封底作業(yè)。應(yīng)嚴(yán)格按照沉井施工及驗(yàn)收規(guī)范要求，確保沉井施工質(zhì)量可控。

3.2 頂管施工流程

頂管施工工藝流程見圖1。

圖1 頂管施工工藝流程圖

4 監(jiān)測(cè)

4.1 沉井監(jiān)測(cè)

首先布設(shè)沉降點(diǎn)位，豎井沉降點(diǎn)位布置在豎井四角，分別在井頂、井中、井底布點(diǎn)，管線在管中兩側(cè)均勻設(shè)置沉降點(diǎn)位。沉降點(diǎn)位的設(shè)置可以通過打入不小于1.20 m 長度的鋼釬的方法進(jìn)行。工程采用在設(shè)計(jì)管線中線的垂直上方每5 m 的位置布設(shè)1個(gè)點(diǎn)，在中線點(diǎn)兩側(cè)，每2.50 m布設(shè)1個(gè)點(diǎn)，沉降點(diǎn)數(shù)不少于4個(gè)，待沉降點(diǎn)穩(wěn)定后才能進(jìn)行觀測(cè)。

4.2 頂管監(jiān)測(cè)

激光測(cè)量數(shù)據(jù)作為判斷前端頂管機(jī)高程及中線誤差的主要依據(jù)，每隔1 m 記錄一次，依據(jù)反饋的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比頂管機(jī)的軸線和旋轉(zhuǎn)量偏差數(shù)值，研判偏差情況。若發(fā)生偏差需要糾偏的工況，應(yīng)增加觀測(cè)的頻次，每頂進(jìn)0.50 m距離觀測(cè)1次。

糾偏時(shí)，應(yīng)第一時(shí)間調(diào)整刀盤旋轉(zhuǎn)走向，消除小轉(zhuǎn)角操作，糾正機(jī)頭糾偏油缸的伸縮數(shù)值，糾偏過程中要做到“勤、緩、慢”。頂進(jìn)作業(yè)施工中持續(xù)繪制三種曲線，主要涉及中線、高程和頂力曲線，作為頂進(jìn)施工中可能發(fā)生的糾偏作業(yè)可靠的數(shù)據(jù)參照。

5 頂管質(zhì)量控制措施

5.1 初始頂進(jìn)

首先破除預(yù)留洞口處結(jié)構(gòu)物，然后開始初始頂進(jìn)作業(yè)（頂進(jìn)距離控制在10 m 范圍）。為避免洞口土體出現(xiàn)涌水、流沙，甚至塌方現(xiàn)象，頂進(jìn)施工作業(yè)前要復(fù)核洞口土體加固情況。達(dá)到施工頂進(jìn)要求后，方可拆除洞口臨時(shí)加固設(shè)施，采用低速掘進(jìn)方式，及時(shí)檢查盾構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況制定初始頂進(jìn)相關(guān)參數(shù)、泥漿壓力數(shù)值。初始頂進(jìn)作業(yè)前要加大頂管機(jī)與頂管管線的監(jiān)測(cè)頻次，嚴(yán)格把控頂管施工掘進(jìn)方向。

5.2 到達(dá)掘進(jìn)

當(dāng)泥水平衡頂管施工至距接收井10 m 時(shí)，應(yīng)暫停施工。首先查看接收井洞口加固程度，如不滿足頂管施工需要，則應(yīng)第一時(shí)間開展補(bǔ)漿加固作業(yè)；充分校核盾構(gòu)掘進(jìn)方向與設(shè)計(jì)軸線位置及高程偏差數(shù)值，確保偏差控制在可控范圍內(nèi)，如未滿足要求，則應(yīng)及時(shí)采取糾偏施工作業(yè)。到達(dá)掘進(jìn)應(yīng)視現(xiàn)場(chǎng)情況，采取適當(dāng)降低注漿壓力、低速低壓鉆進(jìn)的措施頂進(jìn)。當(dāng)頂管機(jī)進(jìn)入接收工作井，最后一節(jié)頂管施工完成后，應(yīng)及時(shí)對(duì)管口縫隙進(jìn)行封堵，采取注漿加固措施，控制地層變形。

5.3 注漿控制

采用全過程注漿作業(yè)能夠令注漿產(chǎn)生的效果更好，但是最大注漿壓力的數(shù)值應(yīng)確保在0.60 MPa以內(nèi)，隨距離的增加，注漿壓力適當(dāng)增加。同時(shí)要注意注漿主管和支管要用硬管，注漿混凝土管下井時(shí)，要保證始終有1個(gè)注漿孔垂直向上。

6 工程重、難點(diǎn)分析

重難點(diǎn)1：穿渦河頂管工程設(shè)置的沉井下沉深度較深，且地下水豐富，降水問題的好壞嚴(yán)重制約沉井下沉效果及安全。解決方案：①嚴(yán)格保證沉井四周防滲墻施工質(zhì)量，嚴(yán)格過程控制，選擇專業(yè)性強(qiáng)、施工經(jīng)驗(yàn)豐富、評(píng)價(jià)良好的作業(yè)隊(duì)伍。②采取在沉井四角布設(shè)降水井的措施，來進(jìn)一步保證施工期間滲水和流沙現(xiàn)象減少。

重難點(diǎn)2：穿渦河頂管工程沉井下沉深度較深，下半部分沉井內(nèi)部土方開挖方式選擇至關(guān)重要，且施工難度較大。解決方案：選擇成熟的開挖方式，采用空氣吸泥機(jī)出土下沉，必要時(shí)考慮專業(yè)潛水員配合設(shè)備進(jìn)行出土。

重難點(diǎn)3：沉井深度較深，地下水豐富，封底施工難度較大，容易造成漏水，封底不徹底，后期處理麻煩。解決方案：①提高設(shè)計(jì)封底混凝土標(biāo)號(hào)，設(shè)計(jì)為C20，采用不小于C40混凝土。②封底前對(duì)底部“鍋底”進(jìn)行虛浮泥漿處理，再采用拋石或者大塊混凝土建筑碎塊方式，必要時(shí)，可由專業(yè)潛水員配合進(jìn)行。

7 結(jié)語

頂管是一種非明挖式的施工方法，它可以在不破壞地面上的建筑物、公路、鐵路的情況下完成穿越工程，其在應(yīng)用穿越河道工程具有眾多優(yōu)勢(shì)如：施工速度快、技術(shù)成熟、安全度高、對(duì)防汛影響小、不影響航運(yùn)、對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)小等有著廣闊的應(yīng)用前景。結(jié)合渦河穿越工程實(shí)際情況，工程方案、頂管關(guān)鍵技術(shù)、施工方法、注意事項(xiàng)等多方面控制取得了工程建設(shè)圓滿的成功。這為當(dāng)前頂管技術(shù)國內(nèi)頂管技術(shù)的推廣應(yīng)用和關(guān)鍵問題的解決提供一定的參考和借鑒。